Varför är himlen mörk på natten?

Från vårt perspektiv här i solsystemet är det absolut intuitivt begripligt varför vi ser det vi ser på dag respektive natt. Under dagen översvämmas vår atmosfär av solljus i alla riktningar, med både direkt och reflekterat solljus som kommer till oss från alla ställen vi kan se. På natten översvämmas inte atmosfären av solljuset, och därför är det mörkt överallt på himlen där det inte finns en ljuspunkt, som en stjärna, en planet eller månen.

Men man kan börja fundera lite djupare än så. Om universum är oändligt, borde inte vår siktlinje så småningom stöta på en stjärna oavsett i vilken riktning vi tittar? Med tanke på att det finns triljoner galaxer där ute, och att teleskop som kan se de svaga galaxerna som våra ögon inte kan se, varför lyser inte ljuset från alla dessa tillsammans upp varje punkt på himlen? Det är ingen lätt fråga att besvara, men vetenskapen klarar av utmaningen.

Det här är en gåta som har oroat vetenskapsmännen i århundraden. Om du tänker djupt på det kanske det inte ens är begripligt för dig. Ja, det är sant att vår atmosfär här på jorden i stort sett är genomskinlig för synligt ljus, vilket är det som gör det möjligt för oss att se in i rymdens enorma avgrund på natten. Vårt läge i galaxen innebär att endast det galaktiska planet skyms av förgrundsdamm och gas som blockerar ljuset från Vintergatans centrala region.

Men utanför detta skulle du kunna förvänta dig att se ljus i alla riktningar och på alla platser som du hade möjlighet att titta in. Om universum verkligen är oändligt så fortsätter ju tomrummet i den djupa rymden i all evighet. I alla riktningar du kan tänka dig kommer din siktlinje så småningom att stöta på en lysande ljuspunkt.

Om detta vore sant skulle natthimlen inte alls vara mörk, utan skulle lysas upp av varje stjärna vars ljusbana gjort den långa resan till jorden.

Men även när vi tittar till de djupaste djupen av vad som verkar vara tom rymd, där inga stjärnor eller galaxer kan ses av mänskliga ögon eller ens av konventionella teleskop, avslöjar våra kraftfullaste observatorier så mycket som finns där, men det är fortfarande bara några få ljuspunkter mot den tomma rymdens svarta bakgrund.

Ja, universum är fullt av stjärnor och galaxer. Ja, de befinner sig på enorma avstånd: miljoner, miljarder eller till och med tiotals miljarder ljusår bort. Stjärnljuset färdas genom universum och når vår bästa observationsutrustning, vilket avslöjar ett rikt universum med en enorm utsträckning. Men enormt, oavsett hur stort det blir, är långt, långt ifrån oändligt.

Vetenskapligt sett är juryn fortfarande inte klar över om universum är ändligt eller oändligt; vi vet helt enkelt inte. Vad vi däremot vet är att den del av universum som är observerbar för oss måste vara ändlig. Även om vi praktiskt taget inte visste någonting om universums storskaliga struktur förrän under senare hälften av 1900-talet visste vi fortfarande att ett oändligt stort observerbart universum helt enkelt var en omöjlighet.

Redan på 1800-talet noterade Heinrich Olbers en matematisk paradox. Om man hade ett oändligt universum med en konstant täthet av stjärnor och/eller galaxer, skulle man få se en oändlig mängd ljus från alla riktningar man tittade in. Du skulle se alla stjärnor i närheten, och i mellanrummen mellan stjärnorna skulle du se stjärnor som ligger längre bort. I mellanrummen mellan dessa stjärnor skulle du se ännu fler stjärnor som befann sig på ett större avstånd. Oavsett avståndet till dem – miljoner, miljarder, biljoner, triljoner, kvadriljoner ljusår etc. – så småningom skulle man, var man än tittade, stöta på en stjärna.

Tänk på det matematiskt, om du vill. Om stjärnornas taltäthet är konstant i hela rymden är det totala antalet stjärnor som du kommer att hitta lika med stjärntätheten multiplicerad med universums volym. Ju längre bort en stjärna befinner sig, desto svagare framträder den: dess ljusstyrka minskar med det omvända avståndet i kvadrat (~1/r2).

Men det totala antalet stjärnor som du kan se på ett visst avstånd är relaterat till en sfärs yta, som ökar med avståndet i kvadrat. (Formeln för en sfärs yta är 4πr2.) Multiplicera antalet stjärnor med ljusstyrkan hos varje stjärna och du får en konstant. Ljusstyrkan på ett visst avstånd är ett visst värde: låt oss kalla det B. Två gånger så långt bort är ljusstyrkan också B. Tre gånger? Fortfarande B. Fyra? B igen.

Summera nu upp den serien: B + B + B + B + B + ….. och så vidare. Kan du se vart det här leder? Svaret är tyvärr mot oändligheten. Om det inte finns någon avgränsning i denna serie får du ett oändligt värde för natthimlens ljusstyrka i alla riktningar.

Redan på 1800-talet använde Olbers detta resonemang för att dra slutsatsen att det observerbara universum inte kunde vara oändligt, men han kunde inte vara säker. Det fanns trots allt andra astronomiska bekymmer. En av de vanligaste invändningarna var att denna naiva analys inte tog hänsyn till allt ljusblockerande damm som tydligt fanns, och som man kunde se bara genom att titta på Vintergatans plan. Även i modern tid är många av våra mest kända astronomiska sevärdheter fyllda av ljusblockerande damm.

I ett ändligt universum kan dammet konkurrera med stjärnljuset, eftersom det synliga ljuset som träffar dammet absorberas och återstrålas vid lägre energier. Men om universum verkligen var oändligt skulle problemet med Olbers paradox dyka upp för varje dammkorn där ute: varje korn skulle vara tvunget att absorbera en oändlig mängd stjärnljus, tills det också strålade med samma temperatur som allt ljus som det absorberade!

Med andra ord var det något som inte stämde. Vårt universum kunde inte vara statiskt, oändligt och fyllt av stjärnor som lyste för evigt. Om så vore fallet skulle natthimlen vara evigt och evigt ljus, på alla platser och i alla riktningar. Det är uppenbart att något annat är på gång här.

Det faktum som räddar oss, och som Olbers inte hade något sätt att veta på sin tid, är inte att universum inte är oändligt i omfattning (det skulle det fortfarande kunna vara), utan att det inte går tillbaka, i sin nuvarande form, i oändlig tid. Det universum som vi bebor i dag hade en början: en dag utan en gårdag. Denna början är känd som Big Bang, som sätter en startlinje för all materia, strålning, energi och ljus som möjligen finns i det observerbara universum.

Universum har inte funnits i evighet, och därför kan vi bara observera stjärnor och galaxer som befinner sig på ett specifikt och ändligt avstånd. Därför kan vi bara ta emot en begränsad mängd ljus, värme och energi från dem, och det kan inte finnas en godtyckligt stor mängd ljus på vår natthimmel.

Men detta ger upphov till ytterligare en pusselbit. Om universum var varmt och tätt och fullt av materia och strålning vid en tidig tidpunkt, som Big Bang hävdar, så borde den tidiga strålningen så småningom nå våra ögon. Överallt där vi tittar, i alla riktningar, borde det inte gå att undgå denna strålning.

Från dagens observationer kan vi faktiskt beräkna hur många fotoner som finns kvar från Big Bang och som fyller universum i dag, och svaret är 411 stycken för varje kubikcentimeter rymd. Om du frågar varför vi inte upptäcker det är svaret att vi gör det, och det gör vi hela tiden. Om du skulle ta med dig en mycket gammaldags TV, en med kaninöresantenner, ut på djupet av den intergalaktiska rymden, bort från alla stjärn- eller jordiska radiokällor, skulle du kunna ställa in den på kanal 3. Du skulle fortfarande se ungefär 1 % av den ”snö” som du ser på jorden; det är strålningen från Big Bang.

Fakten är att vi faktiskt tar emot detta ljus från Big Bang, och att det finns över hela himlen på ett oundvikligt sätt. Det enda skälet till att du inte ser det med blotta ögat är att universum har expanderat under den kosmiska historiens gång, och därför har detta en gång synliga ljus nu förskjutits till så långa våglängder att dina ögon inte kan se dem, din hud kan inte känna dem och din kropp kan inte upptäcka dem.

Men dina mikrovågs- och radioantenner kan fånga upp dem. Faktum är att det var så denna strålning först upptäcktes och hur Big Bang först bekräftades: med en gigantisk radioantenn som plockade upp denna signal, oavsett när eller var forskarna som använde den tittade. Om våra ögon hade anpassat sig till att se mikrovågs- eller radioljus skulle vi faktiskt se en natthimmel som var jämnt ljus i alla riktningar, utan mörka fläckar någonstans.

Det krävs två fakta, tillsammans, för att förklara varför natthimlen är mörk. Den första är att universum bara har funnits under en begränsad tid, vilket begränsar omfattningen och mängden av den strålning som för närvarande är observerbar för oss. Den andra är att vi bara kan se ljus i en begränsad del av det elektromagnetiska spektrumet: den optiska delen.

Om vi i stället kunde se himlen i mikrovågsljus skulle himlen alltid verka ljus i alla riktningar. Det är lite ironiskt, när man tänker på det, att det bara är våra mycket mänskliga begränsningar som gjorde att natthimlen överhuvudtaget såg ut som en intressant plats att utforska. I dag har vi byggt satelliter som är utformade för att mäta denna strålning på ett utmärkt sätt, och de har lärt oss mycket mer om vårt universums ursprung och egenskaper än vad vi någonsin skulle kunna lära oss genom att enbart använda våra begränsade sinnen. Natthimlen kan verka mörk för oss, men ljuset som alltid finns där har lärt oss den slutgiltiga lösningen på denna kosmiska paradox.